浅谈航天人因工程研究进展论文
1 引言
人因工程学( Human Factors Engineering) 是近些年发展很迅速的一门新兴交叉学科，应用领域十分广阔。在不同时期，相近的学科叫法较多，包括: 人的因素( Human Factors) 、工效学( Ergonomics)、人机工程( Man-Machine Engineering) 、工程心理学( Engineering Psychology) 、认知心理学( Cognitive Psychology ) 、人-机-环境系统工程( Man-Machine-Environment System Engineering )等，研究内容相近，但各有侧重。目前，国内外越来越多的学者倾向于应用“人因工程”这一学术名称，以凸显人在系统中的主导和关键作用。载人航天任务涉及航天器、测控通信、发射回收等多个方面，特别是由于航天员的参与使系统变得更为复杂，对人的安全性和操作的可靠性要求更高，是一个巨复杂系统工程。从美俄早期的太空飞行来看，不管是联盟号飞船还是阿波罗计划，事故发生率都很高; 后续航天飞机任务也发生过两次机毁人亡的恶性事故。即便是最近几年，航天任务失利，如天鹅座货运飞船爆炸、太空船2号失败等和国际空间站上出舱活动任务取消和推迟等事故依然不断。中国在二十多年的载人航天历程中成就斐然，虽然没发生重大事故，但结果完美并不等于过程完美，其中也发生过一些险情、出现过一些差错，如出舱舱门开启不畅、返回舱着陆未及时切伞等问题。通过分析、追根溯源，发现绝大多数事故是由于对人的因素考虑不周造成的。因此，在载人航天领域，人因工程也是在不断总结失败教训中提高认识和逐步发展起来的。俄罗斯( 前苏联) 在载人航天初期就专门成立生物医学问题研究所牵头开展空间飞行极端环境对生物体的影响及机理研究和航天工效研究，在和平号空间站期间通过大量在轨实验深化了对长期飞行人的因素的研究和认识。美国在初期的水星号飞船、空间实验室、阿波罗登月等任务中，重点解决人在太空中能否生存和工作的问题。美国国家航空航天局( NASA) 于1987 年在约翰逊中心成立适居性和人因部门，作为航天人因工程的主要牵头单位，并建立跨平台的人-系统整合标准NASASTD-3000。1991 年为国际空间站( ISS) 任务制定了航天人因工程发展计划( SHFE) 。2005 年推出人的研究计划( HRP) ，全面深入研究未来深空探测、登火星任务中的人因工程问题，引领国际航天人因工程领域的发展，也对其载人航天任务成功和发展起到巨大推动作用。欧航局制定载人空间探索战略THESEUS 研究计划，建立14 个专家小组，围绕综合系统生理学、心理学、人机系统、空间辐射、居住地管理和医疗保健五个主要领域开展工作。我国从1968 年航天医学工程研究所成立开始就开展航天工效研究，1981 年创立人-机-环境系统工程理论，1992 年我国载人航天工程启动时设立了航天员系统并下设工效学要求与评价、航天员选拔训练、飞行模拟等与人因工程密切相关的分系统。经过二十多年的实践发展，航天人因工程在研究内容、方法和工程应用上逐步走向成熟，形成了包括载人飞船、货运飞船、空间站舱内、舱外以及舱外航天服等一系列工效学设计要求与规范，目前正为我国空间站工程制订工效学要求和评价标准。航天人因工程在保障载人航天任务策划的科学合理性，提升人信息加工和决策可靠性，减少操作失误，优化人机功能分配，人-系统整合协同高效工作以及提高系统安全性等方面发挥了重要作用。
2 航天人因工程研究体系
载人航天任务中航天员乘组、航天器、以及空间环境构成一个复杂的人-机-环系统，参见图1。航天员是载人航天任务的主体，其作用能否充分发挥是任务成败的关键。空间飞行中人的作业能力受很多因素影响，失重会导致人骨丢失、肌萎缩、眼压和颅压改变、前庭功能等生理系统变化，引起人的操作运动、视觉感知以及空间定向等能力改变; 长期狭小空间和单调的社会关系会对航天员情绪、动机等产生影响，长期昼夜节律变化会导致睡眠紊乱、缺失甚至失眠等，由此引发人员脑力疲劳、情绪下降等，严重影响航天员作业能力发挥; 同时舱载设备增多，信息流更为复杂，航天器人-系统整合设计及适居性的优劣也会影响航天员完成任务的绩效。这些都是人因工程需要研究解决的重点问题。NASA 在系统工程手册中明确把人因工程作为其重要学科考虑，并认为人因工程就是要在充分考虑人的能力和局限性对系统性能带来影响的基础上实现对人-机界面和与人相关系统的研究、分析、设计和评价。
3 当前研究重点与进展
航天人因工程研究范围很宽，下面仅就当前研究的重点、热点和未来发展方向进行阐述。
3. 1 航天员作业能力与绩效
深入了解人在太空中的能力和局限性，是开展人-系统整合设计、任务规划等重要活动的基础和保障。NASA 在国际空间站建设之初，即通过对空间飞行中人的优势( 智力优势，对未知或非结构化情景的响应能力等) 和局限性( 生理局限、个体差异、重复单调的工作容易疲劳和出错等)的大量基础研究，从而为空间站人-系统整合设计提供了关键的数据和理论基础。面向未来的载人登火星、深空探测等任务，各航天大国都制定了相应的发展规划，深入了解和认识空间环境因素对人能力的影响及变化规律。
3. 1. 1 人体参数及生物力学特性
随着载人航天的发展，航天员人体参数及失重环境下骨肌生物力学特性的研究逐步深入，如NASA 建立了涵盖亚洲女性第1 百分位到欧洲男性第99 百分位的全球人体参数数据库，有效地支撑了目前低轨道各类载人航天器的研制。同时研究表明，短期失重会导致肌肉质量丢失10% ～20%，长期可能达到50%，这些会导致骨肌功能力量下降、运动操作协调性降低、体力疲劳增加。对后续空间站任务，借助973 国家重大基础研究计划，开展了45 天头低位卧床实验、中性浮力水槽实验、失重飞机实验，研究了长期模拟失重对人的上肢、下肢关节和肌肉力量的变化规律，发现卧床前后固定姿势下操作力下降，维持时间变短，长期失重也会导致步态模式等发生变化，建立从地面、水下到失重飞机的一体的集成化测试平台，获取了失重状态下人体的运动学、力学及肌电特性参数，为空间站设计提供有效支撑。面向后续深空飞行及星球表面探测任务，长期和变重力环境对人感觉运动能力及协调性的影响成为研究重点，如2009 年NASA 在人的研究计划中启动了骨肌系统的FTT ( Functional TaskTest) 测试项目，借助航天飞机和ISS 任务开展神经肌肉、感觉运动响应等测试( 爬梯子、开舱门、进出座椅、避障、移动物体等) 。
3. 1. 2 舱外作业能力
航天员着舱外航天服加压后对关节活动性、操作力量、手灵活性等作业能力影响很大，如NASA 研究给出，戴舱外服手套加压后，手最大握力下降可达50% - 70%，目前针对轨道出舱航天员着舱外服后作业能力( 简称人服作业能力) 研究较为全面。我国也面向空间站的研制建立了涵盖形态参数、活动空间、手作业能力、运送物品等9 大类的人服作业能力体系及着服后能力变化规律，对空间站舱外活动工效学要求的提出提供了重要的支撑。
后续此方面的研究将从轨道出舱人服作业能力向星球表面行走及操作能力拓展，开展服装质心、压力、结构特性等对人运动操作灵活性、舒适性、疲劳以及运动时服装对人体损伤影响等研究。如NASA 借助水下、荒漠、失重飞机等地面模拟环境，对未来载人登月等任务可能的任务( 走、跪、爬等) 开展功能活动性测试，建立各个关节面向任务的功能活动性要求，并对出舱活动中手和前臂的肌肉疲劳进行了研究，探索上肢关节角度和肌肉疲劳的关系等
3. 2 航天器人机界面与人机交互
航天器人机界面是航天员监视、操纵航天器完成任务的重要接口和途径，其设计的优劣直接影响操作绩效及任务成功。当前航天任务的复杂度和航天器的自动化水平不断增加，对人机界面设计与评估技术面临更多的挑战。在此领域包括以下研究重点:
3. 2. 1 航天器人工控制工效
主要指航天员对航天器进行交会对接、对地定向、起飞或着陆等操作，是一个典型的人在回路动态精细操控任务，涉及到图像显示、控制手柄、飞船控制特性等的航天人因工程关键问题，美俄等国早在60 年代就开展大量的研究，我国也在神九、神十任务中针对飞船手控交会对接任务关键认知特性、对接系统的靶标、操作手柄以及飞船控制特性等相关工效设计开展大量研究，优化了靶标设计方案、多参数多自由度图形显示页面设计以及手控交会对接综合评估模型等，确保我国首次手控交会对接任务的成功。当前NASA 将人工控制的研究重点放在未来登月及火星等星球表面探测航天器的人工控制上，针对飞船在上升及着陆中操作控制界面开展情景意识、操控品质以及振动对操作工效影响等相关问题研究，该结果对指导星座计划中猎户座飞船的研制起到重要的支持作用。
3. 2. 2 星球表面出舱活动任务
无论近地轨道飞行还是未来的登月、登火星等，舱外操作任务必不可少，其人机界面设计必须与航天员着舱外服后操作能力相匹配，这也是舱外人机界面设计与评价的重点。美俄等国在轨道出舱相关研究上已经取得大量成果，在舱外作业区空间布局、操作力、舱外工具等形成了较为成熟的技术和规范，我国借助神七出舱活动任务和空间站任务，建立了出舱活动人机界面工效设计要求、地面和水下的工效评价技术。当前NASA 将舱外人机界面的研究重点放在星球表面舱外活动人因问题进行研究，构建了荒漠、水下等模拟环境下研究与测评技术，对航天员-舱外服-星球探测车系统开展布局及界面设计开展分析与评估。
3. 3 航天人误与人因可靠性
随着载人航天系统及任务复杂性不断提高，航天员在任务回路中的参与度不断增强，人的失误引发航天异常、故障和事故的问题日益凸显，使得各国航天机构逐渐意识到人的失误( 下文简称人误) 可能导致系统可靠性降低、甚至飞行任务失败、人员伤亡和经济损失。载人航天领域人误与人因可靠性研究的发展经历了两种模式，一种是以成熟的人误与人因可靠性分析方法为基础，结合载人航天的特点，进行适用化改进。另一方面，是开发针对性的人误管理工具。NASA 目前将人因可靠性和人误分析纳为NASA 总部的安全与任务保证办公室工作的重要组成部分，对人误与人因可靠性的关注已逐步上升到战略层次。结合认知科学与人因可靠性的最新发展，研究航天飞行因素对人误的影响，深入研究人误机制与机理，瞄准长期飞行开展人误预测技术，人因可靠性改善与提高方法，从而确保航天员-航天器系统的可靠性与安全性。
3. 4 人-系统整合设计与评估
3. 4. 1 以人为中心设计的理念HCDP( Human-Centered Design Philosophy)
NASA 在几十年的载人航天历程中，不断提升对人的因素的重视程度。NASA 不仅提出“把人作为一个系统”HAAS( Human-As-A-System) 设计模型，而且在技术标准和程序层面建立了人-系统整合设计要求( NASA-STD3001 等) ，其中特别强调“以人为中心的设计”理念，要求所有载人系统的研发在全周期范围内必须充分考虑人的特性。HCDP 有三个突出特点即要求用户方早期参与及不断参与设计、进行性能评估、以及开展迭代式设计( 设计-测试-再设计模式) 。其过程至少应包括以下几个方面: a. 操作概念和任务场景建立; b. 任务分析; c. 人-机功能分配; d. 人员角色和职责分配; e. 迭代式概念设计和原型系统构建; f. 试验测试与验证( 包括人在回路测试、基于模型的人-系统性能评估等) ; g. 人-系统性能在轨检测。
3. 4. 2 应激与作业负荷
作业负荷的评估是保证人-系统设计、人的工作合理分配的重要基础。航天员长期在轨飞行面临失重、昼夜节律变化等环境应激，以及繁重的工作等工作应激。这种环境与工作的综合应激，导致航天员在轨作业负荷与地面相比存在较大的差异。NASA 针对航天员脑力负荷的分析与评估，很早就开展了相关研究，包括逐步建立脑力负荷评价标准，NASA 通过研究分析制定的负荷量表NASA-TLX，已广泛应用于在轨飞行任务和地面诸如汽车、飞机驾驶等研究的脑力负荷评价中。我国航天员中心应用客观绩效、主观问卷、生理参数三种手段结合的方法对脑力负荷进行综合评估，利用脑电和功能性近红外( fNIRS)进行脑力负荷评估; 针对单一任务( N-back) 及手动追踪任务、组合任务( MATB) 均有显著的难度相关性，并且可以利用fNIRS 的特征实现较高的`非跨任务非跨时间的分类精度; 利用fNIRS 对模拟交会对接任务进行任务特性分解研究，得出模拟任务中分析、控制、时间压力三个脑力负荷影响特征。
4 我国航天人因工程发展建议
长期空间飞行和载人深空探测是国际航天未来的主要任务，这些任务在给人因工程研究带来重大机遇的同时也带来更多的挑战，包括月球、火星探测等变重力环境下人的能力与绩效、星球表面舱外活动、人机器人团队协作、航天人误预防和人因可靠性等必须解决的难题。目前我国空间站研制处于初样研制的关键阶段，后续任务也在酝酿之中。如何确保将我国的空间站真正打造成为航天员安全、可靠、舒适的太空之家? 如何确保航天员在每次航天任务中充分发挥独特作用以使系统获得最大效益? 充分借鉴国外经验，切实重视并推动我国航天人因工程研究和应用不仅十分迫切更具有长远意义。特别应在以下几个薄弱环节做出努力:
4. 1 理念与认识
经过近20 年的发展，从项目的顶层管理者到具体的工程设计人员对系统中的人因问题的认识有了提高，但对人因工程涉及的理念和方法理解不深。人因工程是对传统工效学的超越，它不仅着眼工作绩效的提高，更把消除隐患确保安全置于首要。人因工程的研究重点之一是全周期的关注人-机关系，而人-机关系本质上讲是人-人关系，因为机是人的创造物，必然打上人的烙印，表现在产品研发上是设计者与使用者( 用户) 之间的关系。设计者与使用者是对立统一体，设计者常常把自己当成使用者，而使用者常常对设计者期望过高，人因工程提供了解决这种冲突达到系统谐同的科学途径。因此，亟需加强“以人为中心的设计”理念宣贯和推动，在工程全线深入领会“人因”，人-系统整合设计对任务完成的重要性，真正从管理到技术各个环节作为一种必须遵守的原则和设计约束来认识和贯彻。
4. 2 组织与管理
目前我国载人航天系统的人-系统整合设计在组织和管理层面上做了一些规定，包括载人航天器出厂放行需要通过工效学分系统的评价，但总体来说缺乏系统性，缺少顶层规范和成系统的组织管理保障。一方面，组织机构不健全，只有一个分系统以技术形式开展要求和测评研制工作，缺乏各层次相应的组织机构; 另一方面，在管理上不严格，更多的是航天员系统和工程方之间一种系统间技术沟通，无论从规范性和严格程度上都不足。因此必须加强顶层策划，建立起多层次组织和管理体系包括第三方工效测评体系，保证航天器人-系统整合设计及评估在航天器全周期研制中的贯彻和落实。
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